Abstract
In this study, doffusion barrier properties of 1000 $\AA$ thick molybdenum compound(Mo, Mo-N, $MoSi_2$, Mo-Si-N) films were investigated using sheet resistance measurement, X-ray diffraction(XRD), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), Scanning electron mircoscopy(SEM), and Rutherford back-scattering spectrometry(RBS). Each barrier material was deposited by the dc magnetron sputtering and annealed at 300-$800^{\circ}C$ for 30 min in vacuum. Mo and MoSi2 barrier were faied at low temperatures due to Cu diffusion through grain boundaries and defects in Mo thin film and the reaction of Cu with Si within $MoSi_2$, respectively. A failure temperature could be raised to $650^{\circ}C$-30 min in the Mo barrier system and to $700^{\circ}C$-30 min in the Mo-silicide system by replacing Mo and $MoSi_2$ with Mo-N and Mo-Si-N, respectively. The crystallization temperature in the Mo-silicide film was raised by the addition of $N_2$. It is considered that not only the $N_2$, stuffing effect but also the variation of crystallization temperature affects the reaction of Cu with Si within Mo-silicide. It is found that Mo-Si-N is the more effective barrier than Mo, $MoSi_2$, or Mo-N to copper penetraion preventing Cu reaction with the substrate for $30^{\circ}C$min at a temperature higher than $650^{\circ}C$.
본 연구에서는 1000$\AA$두께의 Molybdenum화합물(Mo, Mo-N,$MoSi_2$, Mo-Si-N)의 Cu에 대한 확산방지막으로서의 특성을 면저항측정장비(four-point-probe), XRD, XPS, SEM, RBS 분석을 통하여 조사하였다. 각 박막층은 dc magnetron sputtering장비를 이용하 여 증착되었고 $300^{\circ}C$-$800^{\circ}C$의 온도구간에서 30분동안 진공열처리하였다. Mo 및 $MoSi_2$ 방지 막은 낮은 온도에서 확산방지막으로서의 특성파괴를 보였다. 결정립계를 통한 Cu의 확산과 Mo-실리사이드내의 Si의 Cu와의 반응이 그 원인인 것으로 사료된다. 질소를 첨가한 시편의 경우 확산방지특성 파괴온도는 Mo-N방지막의 경우 $650^{\circ}C$-30분, Mo-Si-N방지막의 경우 $700^{\circ}C$-30분으로 향상되었다. Cu와 Si의 확산은 방지막의 결정립계를 통하여 더욱 빠르게 확 산된다. 따라서 증착시 결정립계를 질소와 같은 물질로 채워 Cu와 Si의 확산을 저지할 수 있을 것으로 사료된다. 본 실험결과에서의 질소첨가는 이와 같은 stuffing 효과외에도 Mo- 실리사이드 박막의 결정화 온도를 다소 높인 것으로 나타났고, 그 결과 결정립계의 밀도를 감소시켜 확산방지막으로서의 특성을 향상시킨 것으로 사료된다. 또한 질소첨가는 실리사이 드내의 금속과 실리콘과의 비를 변화시켜 확산방지막의 특성에 영향을 미친 것으로 보인다. 본 실험에서 조사된 확산방지막 중에서는 Mo-Si-N박막이 Cu와 Si간의 확산을 가장 효과적 으로 저지시킨 것으로 나타났으며 $650^{\circ}C$-30분까지 안정한 특성을 보였다.
